620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Mit Fokus auf Nordrhein-Westfalen (NRW) wird das urbane NO2-Problem umrissen. Um die Jahresgrenzwerte einzuhalten, sind beispielsweise in allen Straßenschluchten in NRW Reduktionen nötig. Die Europäische Kommission hat gegen mehrere Mitgliedsstaaten, darunter Deutschland, Vertragsverletzungsverfahren wegen der Überschreitung von NO2-Grenzwerten eröffnet. Dargestellt werden die Langzeittrends bezüglich der gemessenen Abnahme bei der Stickoxidbelastung. Potenzielle Maßnahmen können hinsichtlich ihrer möglichen Wirkungen durch den Einsatz von Modellen abgeschätzt werden, zum Beispiel Umweltzonen, Fahrverbote, Elektrofahrzeuge. Die Ergebnisse der Messungen und Modellrechnungen werden dargestellt und kritisch beleuchtet. Als Fazit ergibt sich, dass das urbane NO2-Problem nicht einfach zu lösen ist, Minderungen der NOx-Emissionen spiegeln sich nicht in der gleichen Größenordnung in der Abnahme der NO2-Belastung wieder. Bei zusätzlich wirksamen Maßnahmen wie beispielsweise einem höheren Anteil von Elektrofahrzeugen fehlt die (schnelle) praktische Umsetzbarkeit. Eine Kombination aus lokalen, regionalen und europaweiten Maßnahmen ist nötig, um das Problem zu lösen.
In den letzten 29 Jahren bis 2007 nahm die Verkehrsleistung des Straßengüterverkehrs im Gegensatz zu Eisenbahn und Binnenschifffahrt, die im selben Zeitraum kaum Zuwächse verzeichneten, von circa 74 Milliarden Tonnenkilometer (tkm) im Jahre 1978 bis auf knapp 449 Milliarden tkm im Jahre 2007 zu. Das entspricht einer Steigerung auf das Sechsfache oder einer durchschnittlichen jährlichen Zunahme um 6,4 Prozent. Prognosen zufolge wird sie sich bis 2050 auf dann etwa 870 Milliarden tkm fast verdoppeln. Die Ursachen für die vergangene starke Zunahme sind zum einen die Wiedervereinigung Deutschlands im Oktober 1990, die Schaffung des europäischen Binnenmarktes, die Ost-Erweiterung der EU sowie die Liberalisierung des Welthandels. Die Folgen für das geografisch in der Mitte Europas liegende Deutschland in einer erweiterten EU sind nicht nur eine Zunahme des Binnenverkehrs, sondern auch des grenzüberschreitenden und insbesondere des Transitverkehrs. Deutschland ist also auch zukünftig mit deutlich wachsendem Verkehrsaufkommen konfrontiert. Da ein nachfrageadäquater Ausbau des Straßennetzes aus ökonomischen und ökologischen Gründen kaum machbar ist, ist mit zunehmendem Straßengüterverkehr ein Beanspruchungszuwachs der gleichzeitig immer älter werdenden Straßeninfrastruktur verbunden. Zukünftig wird somit ein wesentlicher Anteil der trotz der in die Straßeninfrastruktur zurückfließenden Straßenbenutzungsgebühren nur knapp zur Verfügung stehenden finanziellen Ressourcen in die Erhaltung von Straßen und Brücken investiert werden müssen. Für die Entwicklung von Erhaltungsstrategien und eines optimalen Einsatzes der knappen finanziellen Ressourcen für die Straßenerhaltung, der Einführung neuer Finanzierungskonzepte im Straßenbau (Funktionsbauverträge, A-Modelle und andere) und der rechnerischen Dimensionierung von Verkehrsflächen ist die Kenntnis der aus dem Straßengüterverkehr resultierenden Belastung/Beanspruchung und deren zeitliche und räumliche Entwicklung von grundlegender Bedeutung. Daher entschied Mitte der 1990er Jahre das ehemalige Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen (BMVBW, jetzt Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS)), ein neues repräsentatives Netz zur permanenten Achslasterfassung auf BAB bundesweit zu installieren. Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurde durch das BMVBW mit der Konzeption und der fachlichen Begleitung des Netzaufbaus beauftragt. Das Achslasterfassungsnetz auf BAB wird in vier Ausbaustufen realisiert und soll 40 repräsentative Achslasterfassungsquerschnitte umfassen. Zwei Ausbaustufen mit insgesamt 14 Messquerschnitten und 38 Achslastwaagen sind in acht verschiedenen Bundesländern bereits realisiert. Mit der sukzessiven Inbetriebnahme der zweiten Ausbaustufe des Achslasterfassungsnetzes konnte nun das im Jahr 2000 vom Verfasser entwickelte Modell SVIB-BAB (Berechnung der Schwerverkehrsinduzierten Straßenbelastung/-beanspruchung der BAB), mit dem erstmalig die Berechnung der Straßenbelastung/-beanspruchung des Hauptfahrstreifens von BAB nur anhand der durchschnittlichen täglichen Verkehrsstärke des Schwerverkehrs möglich wurde, aktualisiert und präzisiert werden. Darüber hinaus wurde die Möglichkeit einer Einbindung von an automatischen Dauerzählstellen (603 auf BAB; Stand: 2006) erfassten Verkehrsmengen des Schwerverkehrs geschaffen, die eine Betrachtung der Straßenbelastung/-beanspruchung auf Netzebene erlaubt.
Die Frage, ob sich Biomasse aus dem Straßenseitenraum energetisch nutzen lässt und welche technischen und wirtschaftlichen Voraussetzungen dazu erfüllt sein müssen, wurde im Rahmen eines Forschungsauftrages nachgegangen. Das Leipziger Institut für Energetik und Umwelt kommt zu dem Ergebnis, dass die energetische Nutzung von Grasschnitt aufgrund aufwändiger Technik und hoher Investitionen nur in Ausnahmefällen sinnvoll ist, die Nutzung des Gehölzschnittes zur Wärmeversorgung dagegen positiv einzuschätzen ist. Es wurde ein Leitfaden als praktische Hilfe für Entscheidungsträger entwickelt.
Zunehmende Belastungen insbesondere der Bundesstraßen durch Schwerverkehr und Witterungsextreme führen dazu, dass viele Straßenabschnitte vor Ablauf der geplanten Nutzungsdauer erneuert werden müssen. Hinzu kommt die Herausforderung der Beseitigung von Investitionsstaus, das heißt die Erneuerung von Straßenabschnitten, deren substanzieller Zustand durch Überschreiten der geplanten Nutzungsdauer nicht mehr wirtschaftlich ist. Insbesondere bei extremen Witterungsbedingungen zeigen sich unter Umständen die Schwächen der verschiedenen Bauweisen. So kann es bei hohen Temperaturen und Stop-and-go-Verkehr bei Asphaltbauweisen zur erhöhten Spurrinnenbildung oder zur Schädigung der Längsnähte kommen. In der Betonbauweise können unter Umständen Hitzeschäden auftreten, wenn größere Imperfektionen – die direkt aus der Herstellung oder mangelnder/fehlerhafter Erhaltung resultieren – vorliegen. Aufgrund außergewöhnlicher klimatischer Situationen (Hitzeperioden) im Jahr 2013 kam es insbesondere im Bundesland Bayern zu einem vermehrten Auftreten von Hitzeschäden. Deshalb wurde im gleichen Jahr eine „Expertengruppe Hitzeschäden“ gegründet, die aus Vertretern des BMVI, der BASt, der Straßenbauverwaltungen und externer Experten bestand. Ziel war es, die Ursachen und Mechanismen von Hitzeschäden zu eruieren, um geeignete Maßnahmen zu deren Vermeidung ergreifen zu können. In diesem Zusammenhang wurde eine spezielle Messstation entwickelt, um die Temperatur über den Betondeckenquerschnitt, die Fugenbewegungen und weitere relevante Klimadaten ermitteln zu können. In enger Zusammenarbeit mit dem Bund und den Ländern wurden bisher 15 derartige Stationen aufgebaut. Somit besteht die Möglichkeit, in der Praxis auftretende witterungsinduzierte Spannungszustände im Kontext mit den verschiedenen Bauweisen sowie den zunehmend auftretenden Witterungsextrema zu analysieren. Die genaue Kenntnis über den Temperaturverlauf im Betonquerschnitt und zur Fugenbewegung, im zeitlichen und örtlichen Kontext zu den Witterungsbedingungen ist notwendig, um das Spannungsniveau im Deckensystem ableiten und prognostizieren zu können. Zudem ist die Kenntnis über konstruktive und materialtechnische Parameter aus dem zu betrachtenden Straßenoberbau erforderlich. Um Aussagen zur zeitlichen Entwicklung des Verhaltens des Plattensystems im Lebenszyklus treffen zu können, ist die kontinuierliche Erfassung, Speicherung und Analyse relevanter Daten von Bedeutung. Für die temporäre Spannungsprognose (z. B. über den Zeitraum einer Hitzeperiode) ist jedoch eine Analyse der Ausgangsdaten innerhalb weniger Stunden notwendig, um entsprechende Handlungsempfehlungen (z. B. Einrichtung von Tempolimits) treffen zu können. Durch die Verknüpfung mit weiteren Daten können ferner Aussagen zur Entwicklung wichtiger zeitlich veränderlicher Parameter über den Nutzungszeitraum gewonnen werden.
Der Schutz des Grundwassers spielt bei Umweltverträglichkeitsprüfungen im Zusammenhang mit Straßenbauvorhaben eine immer größere Rolle. Das Bundes-Bodenschutzgesetz gebietet einen flächendeckenden Schutz vor Fremdstoffen, die aus verunreinigten oberen Bodenschichten in das Grundwasser einsickern können. Über die möglichen und in einigen Fällen auch über tatsächliche Auswirkungen des Straßenablaufwassers auf das Grundwasser sind in den letzten Jahren detaillierte Forschungsvorhaben veröffentlicht worden. Im vorliegenden Bericht ist die Aufbereitung der bekannteren Arbeiten zum Thema bewusst knapp gehalten und konzentriert sich auf diejenigen Aspekte der vorgestellten Werke, die über zu erwartende Sicker- und Grundwasserbelastungen, beziehungsweise über Schutzfunktionen des Bodens, besonders zielführend berichten. Schließlich werden die Arbeiten im Zusammenhang betrachtet und einem über die Einzelbeiträge hinausgehendem Resumee unterzogen. Obwohl die Konzentrationen an straßenspezifischen Substanzen im Straßenoberflächenwasser oft hoch sind, finden sich nach der Passage des Bankettbodens nur geringe Spuren im Sickerwasser. Auch in Sickerschächten, Sickerbecken und ihren zuleitenden Gräben wirken die Sedimente als effektiver Filter und lassen Schadstoffe kaum in tiefere Bodenschichten oder das Grundwasser eindringen. Die Bodenschutz-Verordnung bestimmt als Beurteilungszone für das Sickerwasser den Übergang von der wasserungesättigten zur wassergesättigten Bodenschicht. Aus den Ergebnissen lässt sich abschätzen, dass bei ton- und humusreichen neutralen bis basischen Böden keine Gehalte zu erwarten sind, die über den durch die Verordnung vorgegebenen Prüfwerten liegen. Lediglich für bindungsarme, saure Böden bestehen noch Unsicherheiten und Forschungsbedarf.
Das Bundesfernstraßennetz besitzt aufgrund der zentralen Lage Deutschlands eine sehr hohe Bedeutung für die gesamte Verkehrsabwicklung in Europa. Mehr als die Hälfte der Jahresfahrleistung der Kraftfahrzeuge wird in Deutschland über das Bundesfernstraßennetz abgewickelt, fast ein Drittel allein über das Bundesautobahnnetz. Um die Leistungsfähigkeit der Straßeninfrastruktur unter Einsatz der vorhandenen Finanzmittel langfristig sicherstellen zu können, bedarf es geeigneter Instrumente, die den aktuellen Straßenzustand realistisch abbilden und dessen Entwicklung verlässlich prognostizieren. Der Straßenzustand muss unter Berücksichtigung vorherrschender Randbedingungen sowie zur Verfügung stehender Handlungsoptionen mit ihren Auswirkungen auf Nutzen und Kosten bewertet werden können. Eine wichtige Grundlage dafür sind die „Richtlinien für die Planung von Erhaltungsmaßnahmen an Straßenbefestigungen“, Ausgabe 2001 (RPE-Stra 01). Die elementare Voraussetzung aller Prognose-, Analyse- und Bewertungsverfahren stellt eine umfassende Datenbasis dar, welche die grundlegenden Informationen über die Straßeninfrastruktur präzise und aktuell vorhält. Es gibt in Deutschland bereits seit vielen Jahren Datenbanksysteme und IT-Instrumente, um vielfältige Aufgaben im Bereich der Straßeninfrastruktur zu bearbeiten und zu steuern. Daten der Infrastruktur werden regelmäßig erhoben und in verschiedenen Datenbanksystemen hinterlegt und verwaltet. Für eine Vielzahl infrastrukturpolitischer Fragestellungen müssen diese Daten jedoch unter hohem Arbeits- und Zeitaufwand explizit zusammengestellt und analysiert werden. Hier gilt es, entsprechende Schnittstellen und Tools zu schaffen, um diese Daten ohne diesen großen Aufwand verknüpfen und für ein Erhaltungsmanagement nutzen zu können.
Die Abgas-Gesetzgebung für Kraftfahrzeuge wurde in den letzten 25 Jahren stetig verschärft. Das Durchschnittsalter der PKW steigt kontinuierlich. Im Jahr 2000 lag dies bei 6,9 Jahren, im Jahr 2011 bei 8,3 Jahren und 2016 bei 9,2 Jahren. Dieser Trend hat auch zu einem Bestandsanstieg bei Fahrzeugen älter 30 Jahren geführt. Es stellt sich daher die Frage, welche Größenordnung diese Fahrzeuge > 30 Jahren bei der Betrachtung der Gesamtemissionen des Straßenverkehrs in der Bundesrepublik in Zukunft einnehmen werden. Aufbauend auf zwei möglichen Szenarien zum zukünftigen Fahrzeugbestand älter 30 Jahren sowie entsprechend abgeleiteten Fahrleistungen wurde der Emissionsbeitrag dieser Fahrzeuge bis zum Jahr 2030 hochgerechnet und modelliert. Zusätzlich wurden Werte für ein größeres Zusammenkommen solcher Fahrzeuge abgeleitet (Oldtimertreffen). Im Rahmen des Vorhabens wurden die limitierten Abgaskomponenten NOX (Stickoxide), HC (Kohlenwasserstoffe), CO (Kohlenmonoxid) und PM (Partikelmasse) betrachtet. Als Ausgangspunkt (2016) wurden 712.000 relevante Fahrzeuge mit einer jährlichen Fahrleistung von 1370 km für die Szenarien angesetzt. Im Ergebnis lässt sich festhalten, dass der Emissionsbeitrag der Fahrzeuge älter 30 Jahren in der Gesamtheit, auch für die späteren Bezugsjahre mit entsprechend höherem Fahrzeugbestand, in Summe pro Abgaskomponente jeweils nur einen einstelligen prozentualen Anteil ausmacht. Bei isolierter Betrachtung der Außerorts-Anteile steigen die Werte jedoch durchaus auch an. Am Tag des modellierten Treffens tragen die Oldtimer zwar maßgeblich zu den Emissionen bei, bezogen auf die durchschnittlichen jährlichen Tageswerte der Emissionskomponenten ergeben sich jedoch auch hier lediglich Veränderungen im unteren einstelligen Prozentbereich.
Als wichtiger Teil der Infrastruktur ist es Aufgabe der Straße, durch ein einheitlich gutes Qualitätsniveau die Mobilität zu sichern und damit die Voraussetzungen für wirtschaftliche Entwicklungsmöglichkeiten zu gewährleisten. Durch die ungünstige Verteilung der Altersstruktur, die kontinuierlich zunehmende Verkehrsbelastung, insbesondere des Schwerlastverkehrs, sowie knappe finanzielle Ressourcen kann diese Aufgabe jedoch nur noch durch eine systematische Straßenerhaltung und die netzweite Optimierung der Erhaltungsplanung erfüllt werden. Mit der Entwicklung und Einführung der Richtlinien für die Planung von Erhaltungsmaßnahmen an Straßenbefestigungen (RPE-Stra 01), der koordinierten Erhaltungsplanung (KEP) von Fahrbahn und Bauwerken sowie der regelmäßigen bundesweiten Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) sind bereits wesentliche Voraussetzungen und Grundlagen hierfür geschaffen worden. Ein weiterer Schritt in Richtung Optimierung der Erhaltungsplanung ist die Entwicklung und Anwendung der Management Systeme PMS und BMS. Das für die Fahrbahnen entwickelte Pavement Management System (PMS) unterstützt einerseits bereits wesentlich die mittelfristige Erhaltungsplanung der Bundesländer und kann andererseits den Bedarf an Erhaltungsmitteln durch einen Vergleich verschiedener Szenarien abschätzen und sehr anschaulich verdeutlichen. Die kontinuierlich zunehmende Anzahl notwendiger Erhaltungsmaßnahmen erfordert künftig jedoch noch weitere Strategien, die insbesondere auf verkehrlich hoch belasteten Strecken die baustellenbedingten Verkehrsbehinderungen möglichst gering halten.
Dieser Bericht beschreibt ein Systemmodell für eine integrale Ermittlung und Prognose der Schadens- und Zustandsentwicklung der Elemente eines Brückensystems unter Berücksichtigung von Ergebnissen aus Inspektionen und Überwachung. Das Systemmodell wurde anhand eines ausgesuchten Spannbetonüberbaus in einzelliger Kastenbauweise entwickelt. Es besteht aus zwei integralen Teilmodellen: ein Modell zur Beschreibung des Systemschädigungszustandes und ein Modell zur Beschreibung der Standsicherheit. Für die Modellierung des stochastischen Systemschädigungszustandes eines Brückensystems werden dynamische Bayes'sche Netze (DBN) vorgeschlagen. Dieser Ansatz ermöglicht es, alle relevanten Schädigungsprozesse und deren stochastische Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Ein wesentlicher Vorteil dieses Ansatzes ist es, dass DBN ideal dafür geeignet sind, Bayes'sche Aktualisierungen auf Grundlage von Informationen aus Inspektionen und Überwachungsmaßnahme auf eine effiziente und robuste Art und Weise durchzuführen. Der DBN-Ansatz ist deshalb für die Entwicklung von Software für das Erhaltungsmanagement von alternden Brückenbauwerken, die vom Benutzer keine vertieften Kenntnisse der Zuverlässigkeitstheorie verlangt, ideal geeignet. Für die Modellierung der Standsicherheit eines alternden Kastenträgers wird vereinfachend Biegeversagen des globalen Längssystems betrachtet. Zur Berechnung der maximalen Traglast eines Kastenträgers infolge des Systemschädigungszustandes wird ein plastisch-plastisches Verfahren eingesetzt, wobei die Beanspruchungen mittels der Fließgelenktheorie unter Ausnutzung der plastischen Beanspruchbarkeit der Querschnitte des Kastenträgers ermittelt werden. Ein Kastenträger versagt, wenn sich durch die Ausbildung einer ausreichend großen Anzahl von Fließgelenken eine kinematische Kette ausbildet. Dieser Modellierungsansatz berücksichtigt Redundanzen, die sich aus der plastischen Beanspruchbarkeit der Querschnitte und der statischen Unbestimmtheit eines Kastenträgers ergeben. Zum Nachweis der praktischen Einsetzbarkeit des entwickelten Systemmodells wurde ein Software-Prototyp entwickelt, der eine intuitiv benutzbare graphische Benutzeroberfläche (Front-End) mit einem Berechnungskern (Back-End) koppelt. Die aktuelle Version des Software-Prototyps implementiert ein Modell der chloridinduzierten Bewehrungskorrosion und ein Tragwerksmodell, welches das Verfahrens der stetigen Laststeigerung zur Bestimmung der maximalen Traglast des Kastenträgers auf der Grundlage eines Finite-Elemente-Modells umsetzt. Zur Durchführung von Bayes'schen Aktualisierungen des Systemschädigungszustandes auf der Grundlage des DBN-Modells implementiert der Prototyp den Likelihood-Weighting-Algorithmus. Die entwickelte Architektur des Prototyps ermöglicht eine Erweiterung der Software um weitere Schädigungsprozesse. Der entwickelte Software-Prototyp ermöglicht Benutzern ohne vertiefte Kenntnisse der Zuverlässigkeitstheorie eine Berechnung des Einflusses von Bauwerksinformationen auf den Systemschädigungszustand und die Tragsicherheit eines Kastenträgers. Auf dieser Grundlage können effiziente Inspektions- und Überwachungsmaßnahmen identifiziert und das Erhaltungsmanagement optimiert werden.
Straßenverkehrszählungen (SVZ) mit mobilen Mess-Systemen : Erhebungs- und Hochrechnungsmethodik
(2013)
Für die nächste Straßenverkehrszählung (SVZ) im Jahre 2015 soll für Abschnitte zweistreifiger Bundesstraßen der temporäre Einsatz mobiler Messsysteme nach einem Rotationsprinzip ermöglicht werden. Dazu wurde in einer 1. Stufe ein Erhebungs- und Hochrechnungskonzept entwickelt, um mit möglichst wenigen Geräten die jährliche Verkehrsstärke und spezielle Kennwerte zuverlässig abzuleiten. Die Grundlage der Hochrechnung bilden die zeitgleich (synchron) zu den temporären Zählungen betriebenen Dauerzählstellen in einer Raumeinheit. Anhand dieser Daten wurden die zentralen Fragen wie Dauer, Häufigkeit und Lage der Zählungen innerhalb des Jahres untersucht. Das Einsatzmodell sieht insgesamt drei Wochen vor. Werktags- und Sonntagsverkehr werden mit zwei um einige Monate versetzte Wochenzählungen außerhalb der Ferien erfasst, der Urlaubsverkehr durch eine Wochenzählung innerhalb der Sommerferien. Die Hochrechnungsfaktoren für die einzelnen Zählwochen ergeben sich aus linearen multiplen Regressionsfunktionen. Deren Koeffizienten werden aus den Dauerzählstellen mit den Einflussgrößen Ferienverkehrs-, Sonntags- und Freitagsfaktoren errechnet. Die Kennwerte, insbesondere "Lärmwerte" und Bemessungsverkehrsstärken, können zum Teil direkt aus den Zähldaten bzw. indirekt über Regressiosansätze abgeleitet werden. In einer 2. Stufe wurde anhand von Dauerzählstellen der Jahre 2000 bis 2010 analysiert, wie die einzelnen Jahresergebnisse auf ein einheitliches Basisjahr übertragen werden können. Wegen der größeren Entwicklungsunterschiede sollte dabei zwischen Werktags- und Sonntagsverkehr sowie zwischen Personen- und Güterverkehr unterschieden werden. In einer 3. Stufe wurden Wege aufgezeigt, wie für Zählungen im Rahmen von Sonderuntersuchungen eine schnelle Ergebnisbereitstellung ermöglicht werden kann. Dies ist notwendig, da die endgültigen Ergebnisse der Dauerzählstellen, die Voraussetzung für die Ableitung der Hochrechnungsfaktoren sind, erst am Anfang des Folgejahres vorliegen. Je nach Einsatzzeit können die Ergebnisse aus den Wochenzählungen als Näherungswerte übernommen werden. Für allgemeine Anwendungen wurden Hinweise zur Entwicklung einer Software-Lösung gegeben.